电气系统内部过电压的分析及措施
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摘要：笔者经过翻阅大量资料，结合自身工作经验，对电气系统操作过电压产生的机理、危害性及防范措施有了深入的了解。
关键词：
近十几年来，特别是在农村配电网中真空断路器被大量采用。真空断路器的优点是：运行安全可靠，极大地减轻了维护工作量，调试简单，检修周期长，资源浪费少，不污染环境，重量轻，外形体积小。
某公司曾经发生过两起电力设备事故：2007年6月二台配变，2#1600 kVA变压器，因事故跳闸，高压侧B相烧断，高压线圈烧毁变形移位，对地短路放电，严重损坏。2007年9月5# 180kVA变压器，因事故跳闸，高压侧线圈烧毁变形移位，固定角铁有放电烧伤痕迹，穿心螺丝烧断。这两次事故，保护继电器动作，断路器都成功跳闸，而被保护的设备却烧毁得特别严重。就其原因分析判定为主要是操作内部过电压引起。
操作过电压可归纳为：截流过电压、重燃过电压、三相同时截流过电压三种类型。
1 真空断路器操作过电压的分析
1．1截流过电压
图1和图2是在真空断路器断开负荷电流时，产生操作过电压的实际图形。其特点是操作过电压幅度很高(一般是2．5―4倍)，频率很高(一般是1000―10000Hz)。截流过电压是由于流过弧隙的电流突然被截断而产生的，由于运行状态的突然改变，电流突然终断，电磁场能不能马上被中断，磁场能产生一种反电势作用于回路，对回路的线圈和电缆的杂散电容进行充电，电场能与磁场能的交互转换，一般情况下， 电路两端的电压和通过电路的电流是不同相的，但如果感抗XL和容抗XC相等，即XL=XC电路中的电压和电流同相位，在R，L，C串联电路中产生谐振。由于XL=XC所以
,
总阻抗为最小值，电流在谐振时达到最大值，在电感线圈上和杂散电容上可能出现比额定电压高得多的电压，有文献资料介绍可达到7～8倍。当然这种振荡也不会无休止的进行下去，电路里的电阻会以发热的形式把能量消耗掉，进入冷态。
1．2重燃过电压
真空开关触头刚分开的瞬时，若正好遇上电流值在过零点，电弧瞬时熄灭，此时触头的开距很小，线路上有工频电容电流流过，它领先工频电源电压9 0度，这时触头之间的电压恰为最大值(+Um)，在电弧熄灭后，因无泄漏，电容c上的电压保持+Um，但电源电压仍继续按正弦曲线变化规律从+Um往-Um变化，当电源电压达到-Um时，开关K的两触头之间承受的电压为2Um。如果在这时开关触头间发生重燃，则电容上的电压将从原有的+Um向电源电压-Um过渡，这时在电容和电感电路上将产生高频振荡，其振荡频率很高， 由高频振荡所引起的电压数值如下：
过电压幅值=+Um+(-Um-Um)=-3Um
线路上电压振荡到三倍电源电压幅值时，过电压的极性为负，这是第一次电弧重燃，以后，在电流再经过零值时， 电弧将第二次熄灭，随后，当电源电压变换为+Um时，开关K触头之间的电位差为+Um-(-3Um)=4Um，如果在此时发生第二次电弧重燃，则高频过电压的幅值为：
过电压幅值=+Um+[+Um-(-3Um)]=+5Um
每发生一次重燃，过电压幅值都会按傅里叶级数增加，会越来越高，但实际上线路上是有电阻的，能量会以发热的形式消耗掉。
1．3三相同时截流过电压
工作中的电动机、变压器、电容器都是以三相交流电接入供电系统运行的，在运行状态突然改变时，真空断路器首相断开熄弧产生的高频电流，通过三相互耦和中性点叠加在其它未断开的两相工频电流上，造成其他两相电弧电流强制过零，使得未开断的两相随之同时被切断，此两相被截流断的工频电流往往比首相截流值大，类似于较大水平的截流现象，从而产生比首相开断截流过电压更高的操作过电压。这样就会造成三相同时截流过电压的产生。
2 电气系统内部过电压的危害
(1)在工业生产中，通常有较多的电动机同时在电气系统上并联运行，形成“电动机群”，在有些场合还有并联补偿电容器与之并联运行。运行中的设备，若有一台电动机内部发生短路故障时，除故障电流中存在基波分量电流外，非周期分量电流，高次谐波电流，还会造成电气系统瞬时电压的增高，此时“非故障电动机群”向故障点要提供起始值较大、数值和频率逐渐衰减的暂态电流，这种暂态电流容易引起非故障电动机速断保护的误动跳闸，对稳定运行安全生产造成很大威胁。
(2)除了上面已分析的真空断路器操作时引起过电压外，电气内部系统过电压还有很多原因：如线路参数匹配不合理；电气设备匹配不合理；电容和电感元件之间电磁能量相互转换，产生振荡过电压；外界气候变化引起的大气过电压，均对运行中的电气设备造成严重的危害。
3 电气系统内部过电压的防范
3．1氧化锌避雷器
氧化锌避雷器是目前采用最多的一种保护元件，氧化锌避雷器由于其核心元件电阻片采用精密配制，具有较好的非线性“伏-安”特性，在正常电压下具有较高的电阻，呈绝缘状态，在过电压作用下，则呈现低电阻状态，释放电流，与被保护的电气设备的残压，被抑制在设备绝缘安全值以下，待有害的过电压消失后，迅速恢复高电阻而呈绝缘状态。
其优点是：动作迅速，流通容量大，残压低，无续流，可靠性高，维护简便，对大气引发的过电压有着良好的保护。
但也存在一些缺陷：
(1)无间隙氧化锌避雷器在6～10kV接地系统保护上存在缺陷，在中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中，当发生单相接地故障，相电压成倍升高至线电压，并允许运行2小时，这种情况将使避雷器严重过热而烧坏。
(2)不能保护相间绝缘，安装在高压柜里的氧化锌避雷器，每相一只，采用星形接线，主要保护相对地的绝缘，相对相成串联结构，几乎起不到保护作用。
(3)对振荡频率反应迟钝，在真空断路器操作引发的过电压，振荡频率很高，波头很陡。氧化锌避雷器只能限幅，对降低振荡频率则束手无策。
由于无问隙氧化锌避雷器在6～10kV小接地电网系统中存在缺陷，在使用中，应引起足够的重视。
3．2 R-C过电压保护器
R-C过电压保护器并联在电动机出口，电阻和电容串联，然后接地，由于吸收电容的作用，使变压器波阻减少，并能使开断后触头间恢复电压上升，陡度降低，减少了真空断路器发生重燃的机率，即使发生重燃，由于吸收电阻R的作用抑制了重燃，降低高频电流幅值的增长，并使高频电流变成以R-C时间常数衰减的电流，只要R-C时间常数的值选择的合理，就会推后电流过零的时间，这时触头的开距已足够大到足以承受住振荡的恢复电压不再发生重燃，容抗在数千Hz高频截流过电压的作用下急剧下降，成为很好的吸收回路，而平时在50Hz工频电压作用下，容抗较大，回路电流甚小，这种“频敏作用”类似氧化锌避雷器的“压敏作用”，有效地保护了电气系统的过电压问题。
采用R-C保护器的副作用是加大了电气系统的电容电流，在6―10kV供电系统中，合理选择中性点接地方式和R―C时间常数的参数应充分考虑这一问题。
4 结束语
在电气系统大量使用真空断路器的同时，相应的保护设备却没有完善到位，国家也未出台相应的技术规范，据统计真空断路器因操作造成系统内产生过电压，造成烧毁变压器、电动机的事故时有发生。
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